5 Mythen zur Signalintegrität: AC-Ausgabe

Wenn Sie dachten, Signalintegrität und EMI seien voller Mythen, dann warten Sie, bis Sie der Power Integrity begegnen. In der Leistungselektronik und im PCB-Design gibt es Power Integrity in zwei Ausprägungen: Über die DC-Power-Integrity haben wir an anderer Stelle im Blog bereits gesprochen, jetzt ist es an der Zeit, sich die fünf größten Mythen zur AC-Power-Integrity anzusehen. Legen wir direkt los!

Mythos 1: Jedes Netzteil funktioniert

In vielen Diskussionen über Power Integrity wird die Rolle des Spannungsreglers völlig ignoriert, und es wird angenommen, dass der Spannungsregler theoretisch perfekt ist. In der Realität liefern Halbleiterhersteller für schnelle digitale Systeme speziell entwickelte Spannungsregler, um die Stromversorgung bei hohen Geschwindigkeiten sicherzustellen. Typische Spannungsreglermodule für schnelle digitale Versorgungsschienen haben zwei wichtige Eigenschaften:

• Sie sind mehrphasige Buck-Konverter
• Sie haben eine hohe Regelkreisbandbreite
• Sie haben eine geringe Ausgangsinduktivität

Der Grund für den ersten Punkt ist, dass mehrphasige Designs mit einer höheren effektiven Schaltfrequenz bei niedrigem Tastgrad pro Phase arbeiten können, was das Schaltrauschen am Ausgang reduziert. Ich habe diesen wichtigen Punkt in einem anderen Blog beschrieben.

Für schnelle digitale Designs ist jedoch der zweite Punkt wichtiger, da er bestimmt, wie schnell der Regler auf Transienten am Ausgang reagieren und dadurch eine stabile Ausgangsspannung aufrechterhalten kann. Die logische Folge des zweiten Punkts ist, dass der Regler eine niedrige Ausgangsimpedanz hat, und diese Impedanz muss bis in sehr hohe Frequenzen hinein niedrig bleiben. Zusammen stellen diese Faktoren sicher, dass der Regler und die Struktur des PDN (mit seinen diskreten Kondensatoren und der Flächenkapazität) Ripple auf der Versorgungsschiene unterdrücken können, wenn schnelle digitale I/Os zu schalten beginnen.

Mythos 2: Eine einzelne Versorgungslage ist akzeptabel

Bei einigen Designs kann eine einzelne Versorgungslage ausreichen, selbst wenn sie in mehrere Versorgungsschienen unterteilt ist. Bei kleineren digitalen Prozessoren, die möglicherweise weniger als 1000 Balls in einem BGA-Gehäuse haben, werden dennoch mehrere Versorgungsspannungen benötigt. Die Versorgungslage könnte jedoch in große Rails segmentiert werden, um dem Prozessor die gesamte benötigte Leistung bereitzustellen. Ein Beispiel, das die mögliche Anzahl und Vielfalt von Versorgungsschienen auf einer einzelnen Lage zeigt, die ein großes BGA versorgt, ist unten dargestellt.

Wenn Sie versuchen, zu viele Versorgungsschienen auf einer einzigen Lage unterzubringen, kann es sein, dass die Schienen am Ende zu viel Strom führen. In diesem Fall benötigen Sie möglicherweise eine weitere Versorgungslage für die Schienen mit hohem Strombedarf.

Wenn Prozessoren größer werden und mehr I/Os bei höherer Geschwindigkeit unterstützen müssen, können mehrere Power-Plane-Lagen erforderlich sein, und jede davon muss ihre eigene Ground-Plane haben. Das ist notwendig, um genügend Flächenkapazität bereitzustellen, damit die PDN-Impedanz unter einem geeigneten Zielwert bleibt. PDN-Impedanzen im Sub-mOhm-Bereich bis in den Bereich von 100 MHz bis 1 GHz sind bei großen digitalen Prozessoren die Norm. Beispiele für solche Prozessoren sind große CPUs und große FPGAs mit mehr als 1.000 Pins.

Mythos 3: Dielektrika mit niedrigem Dk sind gut für Power Integrity

Schnelle digitale Designs verwenden häufig fortschrittliche FR4-Materialien mit Dk-Werten zwischen 3 und 4. Diese Materialien weisen in der Regel auch eine geringe Dispersion auf, und in Kombination mit dem niedrigen Dk-Wert sind sie für die Signalintegrität in Kanälen mit hoher Bandbreite vorteilhaft. Dielektrika mit niedrigem Dk sind jedoch nicht immer die beste Option für Power Integrity.

Es ist nicht so, dass Materialien mit niedrigem Dk für Power Integrity „schlecht“ wären, sondern eher, dass ein höherer Dk-Wert im Power-Ground-Plane-Paar die bessere Option sein kann. Der Grund ist, dass Dielektrika mit höherem Dk bei gegebener Dicke eine größere Flächenkapazität liefern. Deshalb wird in manchen Fällen in einem Stackup ein Spezialmaterial verwendet, das als Embedded Capacitance Material (ECM) bekannt ist. Diese Materialien haben in der Regel drei wichtige Eigenschaften:

• Sehr geringe Lagenstärken
• Sehr hoher Dk-Wert
• Höherer Df-Wert als fortschrittliche FR4-Materialien

Der höhere Df-Wert hilft dabei, Transienten bei hohen Frequenzen zu dämpfen, während der hohe Dk-Wert und die geringe Lagenstärke für eine sehr hohe Flächenkapazität bis in den GHz-Bereich sorgen. Oberhalb dieser Frequenzen übernimmt die PDN-Impedanz des Prozessor-Packages und bestimmt die Power Integrity, die an den Bumps auf dem Die sichtbar ist.

• Erfahren Sie in diesem Artikel mehr über ECMs

Daten, die eine verringerte PDN-Impedanz zeigen, wenn in einem PCB-Stackup ein dünneres ECM verwendet wird. Sehr deutlich ist zu erkennen, dass das Resonanzverhalten nahe 1 GHz durch die Verwendung eines dünneren ECM-Materials stark reduziert wird. [Quelle: DuPont]

Mythos 4: Die drei Kondensatorwerte

Die häufigste Empfehlung, die Sie zur Auswahl von Entkopplungs-/Bypass-Kondensatoren finden werden, lautet, drei Kondensatorwerte zu verwenden, die jeweils um eine Dekade voneinander getrennt sind, also z. B. 10 µF, 1 µF und 100 nF. Das mag für ASICs in Ordnung sein, kann aber bei großen digitalen Prozessoren, die eine niedrige PDN-Impedanz ohne Resonanzspitzen erfordern, schnell nicht mehr ausreichen. Der Grund dafür ist, dass die Resonanzen den Zielimpedanzwert leicht überschreiten können, was zu starken Transienten bei diesen Frequenzen führt, die die Leistungsversorgung beeinträchtigen.

Die folgende Abbildung aus dem grundlegenden Artikel im Signal Integrity Journal von Eric Bogatin, Steve Sandler und Larry Smith veranschaulicht, warum dies für große digitale Prozessoren, die Leistung mit hoher Bandbreite benötigen, möglicherweise nicht die optimale Auswahl an Kondensatoren ist.

PDN-Impedanz mit mehreren MLCC-Werten. [Quelle: Signal Integrity Journal]

Während das Hinzufügen weiterer Kondensatoren die PDN-Impedanzkurve absenkt, kann eine extrem große Anzahl erforderlich sein, um die PDN-Impedanzspitzen unter den Zielimpedanzwert zu bringen. Ein besserer Ansatz besteht darin, die Kondensatorwerte über die drei klassischen Werte hinaus breiter zu streuen. Dadurch können die PDN-Impedanzspitzen geglättet werden, sodass insgesamt weniger Kondensatoren benötigt werden, um die Impedanzkurve unter dem Zielwert zu halten.

Mythos 5: Kondensatoren müssen immer nahe an den VDD-/GND-Pins sein

Bei kleineren Prozessoren in Quad-Gehäusen und bei ASICs ist diese Aussage tatsächlich richtig, insbesondere dann, wenn die Stromversorgung nicht über ein Power-/Ground-Plane-Paar erfolgt. Bei größeren digitalen Prozessoren in BGA-Gehäusen, die Power-Ground-Plane-Paare benötigen, um die Pins im inneren Package-Bereich zu erreichen, ist es jedoch nicht möglich, alle Kondensatoren nahe an den Power- und Ground-Pins zu platzieren.

Wenn Power-Ground-Plane-Paare in einem Design mit einem BGA verwendet werden, ist die Pfadinduktivität durch die Plane weitaus geringer als die Induktivität jeder Verbindung, die mit Leiterbahnen und Vias geroutet wird. Ein Power-/Ground-Plane-Paar verhält sich wie eine verteilte Struktur mit niedriger Induktivität, typischerweise im Bereich von 0,1 bis 0,5 nH, während eine kurze Kombination aus Leiterbahn und Via 1 bis 2 nH einbringt und längere Leiterbahnverläufe mit mehreren Vias 5 bis 10 nH oder mehr erreichen können.

Die folgende Tabelle zeigt beispielhafte Induktivitätswerte für verschiedene Verbindungstypen, um zu veranschaulichen, warum Plane-basiertes Routing die Platzierungsanforderung verändert.

Da das Plane-Paar die Verbindungsinduktivität unabhängig von der lateralen Entfernung zwischen einem Entkopplungskondensator und den Prozessor-Pins niedrig hält, können Kondensatoren, die mehrere Millimeter vom BGA-Feld entfernt platziert sind, während transienter Ereignisse dennoch effektiv Ladung liefern. Die maßgebliche Einschränkung ist nicht die absolute Nähe, sondern die Induktivität des Strompfads, und eine Versorgung über Planes hält diese Induktivität deutlich niedriger, als es mit über Leiterbahnen gerouteten Verbindungen möglich ist.

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